- Е925
-
Хлор / Chlorine (Cl) Атомный номер 17 Внешний вид простого вещества Жёлто-зеленый
едкий газ. Ядовит.Свойства атома Атомная масса
(молярная масса)35,4527 а. е. м. (г/моль) Радиус атома 100 пм Энергия ионизации
(первый электрон)1254.9(13.01) кДж/моль (эВ) Электронная конфигурация [Ne] 3s2 3p5 Химические свойства Ковалентный радиус 99 пм Радиус иона (+7e)27 (-1e)181 пм Электроотрицательность
(по Полингу)3.16 Электродный потенциал 0 Степени окисления 7, 6, 5, 4, 3, 1, −1 Термодинамические свойства простого вещества Плотность (при −33.6 °C)1,56 г/см³ Удельная теплоёмкость 0.477 Дж/(K·моль) Теплопроводность 0.009 Вт/(м·K) Температура плавления 172.2 K Теплота плавления 6.41 кДж/моль Температура кипения 238.6 K Теплота испарения 20.41 кДж/моль Молярный объём 18.7 см³/моль Кристаллическая решётка простого вещества Структура решётки орторомбическая Период решётки 6.240 Å Отношение c/a n/a Температура Дебая n/a K CI 17 35,4527 3s²3p5 Хлор Хлор (Cl) ((греч. χλωρός) — «зелёный») — 17-й элемент периодической системы элементов Д. И. Менделеева. Входит в группу галогенов (первоначально название «галоген» использовал немецкий химик Швейгер для хлора (дословно «галоген» переводится как солерод), но оно не прижилось, и впоследствии стало общим для VII группы элементов, в которую входит и хлор).
Простое вещество хлор — ядовитый желтовато-зеленый газ, с резким запахом. Молекула хлора двухатомная.
История открытия хлора
Впервые хлор был получен в 1772 г. Шееле, описавшим его выделение при взаимодействии пиролюзита с соляной кислотой в своём трактате о пиролюзите:
- 4HCl + MnO2 = Cl2 + MnCl2 + 2H2O
Шееле отметил запах хлора, схожий с запахом царской водки, его способность взаимодействовать с золотом и киноварью, а также его отбеливающие свойства.
Однако Шееле, в соответствии с господствовавшей в химии того времени теории Флогистона, предположил, что хлор представляет собой дефлогистированную соляную кислоту, то есть оксид соляной кислоты. Бертолле и Лавуазье предположили, что хлор является оксидом элемента мурия, однако попытки его выделения оставались безуспешными вплоть до работ Дэви, которому электролизом удалось разложить поваренную соль на натрий и хлор.
Распространение в природе
В природе встречаются два изотопа хлора 35Cl и 37Cl. В земной коре хлор самый распространенный галоген. Хлор очень активен — он непосредственно соединяется почти со всеми элементами периодической системы. Поэтому в природе он встречается только в виде соединений в составе минералов: галита NaCI, сильвинита KCl · NaCl, бишофита MgCl2 · 6H2O, карналлита KCl · MgCl2 · 6Н2O, каинита KCl · MgSO4 · 3Н2О. Самые большие запасы хлора содержатся в составе солей вод морей и океанов. На долю хлора приходится 0,025 % от общего числа атомов земной коры, а человеческий организм содержит 0,25 % ионов хлора по массе.
Изотопный состав [1]
В природе встречаются 2 стабильных изотопа хлора: с массовым числом 35 и 37. Доли их содержания соответственно равны 75,78 % и 24,22 %.
Изотоп Относительная масса, а.е.м. Период полураспада Тип распада Ядерный спин 35Cl 34.968852721 Стабилен — 3/2 36Cl 35.9683069 301000 лет β-распад в 36Ar 0 37Cl 36.96590262 Стабилен — 3/2 38Cl 37.9680106 37,2 минуты β-распад в 38Ar 2 39Cl 38.968009 55,6 минуты β-распад в 39Ar 3/2 40Cl 39.97042 1,38 минуты β-распад в 40Ar 2 41Cl 40.9707 34 c β-распад в 41Ar 42Cl 41.9732 46,8 c β-распад в 42Ar 43Cl 42.9742 3,3 c β-распад в 43Ar Физические и физико-химические свойства
Свойство Значение[2] Температура кипения −34 °C Температура плавления −101 °C Температура разложения
(диссоциации на атомы)~1400°С Плотность (газ, н.у.) 3,214 г/л Сродство к электрону атома 3,65 эВ Первая энергия ионизации 12,97 эВ Теплоемкость (298 К, газ) 34,94 (Дж/моль·K) Критическая температура 144 °C Критическое давление 76 атм Стандартная энтальпия образования (298 К, газ) 0 (кДж/моль) Стандартная энтропия образования (298 К, газ) 222,9 (Дж/моль·K) Энтальпия плавления 6,406 (кДж/моль) Энтальпия кипения 20,41 (кДж/моль) Растворимость
Растворитель Растворимость г/100 г[3] Бензол Растворим Вода[4] (0 °C) 1,48 Вода (20 °C) 0,96 Вода (25 °C) 0,65 Вода (40 °C) 0,46 Вода (60 °C) 0,38 Вода (80 °C) 0,22 Тетрахлорметан (0 °C) 31,4 Тетрахлорметан (19 °C) 17,61 Тетрахлорметан (40 °C) 11 Хлороформ Хорошо растворим TiCl4, SiCl4, SnCl4 Растворим Степень диссоциации молекулы хлора Cl2 → 2Cl. При 1000 К равна 2,07*10-4%, а при 2500 К 0,909 %.
Порог восприятия запаха в воздухе равен 0,003 (мг/л).
В реестре CAS — номер 7782-50-5.
По электропроводности жидкий хлор занимает место среди самых сильных изоляторов: он проводит ток почти в миллиард раз хуже, чем дистиллированная вода, и в 1022 раз хуже серебра. Скорость звука в хлоре примерно в полтора раза меньше, чем в воздухе.
Химические свойства
Строение электронной оболочки
На валентном уровне атома хлора содержится 1 неспаренный электрон: 1S² 2S² 2p6 3S² 3p5, поэтому валентность равная 1 для атома хлора очень стабильна. За счёт присутствия в атоме хлора незанятой орбитали d-подуровня, атом хлора может проявлять и другие валентности. Схема образования возбуждённых состояний атома:
Валентность Возможные
степени окисленияЭлектронное состояние
валентного уровняПример соединений I +1, −1 3s² 3p5 NaCl, NaClO III +3 3s² 3p4 3d1 NaClO2 V +5 3s² 3p³ 3d² NaClO3 VII +7 3s1 3p³ 3d³ NaClO4 Также известны соединения хлора, в которых атом хлора формально проявляет валентность 4 и 6, например ClO2 и Cl2O6. Однако, эти соединения являются радикалами, то есть у них есть один неспаренный электрон.
Взаимодействие с металлами
Хлор непосредственно реагирует почти со всеми металлами (с некоторыми только в присутствии влаги или при нагревании):
Взаимодействие с неметаллами
C неметаллами (кроме углерода, азота, кислорода и инертных газов), образует соответствующие хлориды.
На свету или при нагревании активно реагирует (иногда со взрывом) с водородом по радикальному механизму. Смеси хлора с водородом, содержащие от 5,8 до 88,3 % водорода, взрываются при облучении с образованием хлороводорода. Смесь хлора с водородом в небольших концентрациях, горит бесцветным или желто-зеленым пламенем. Максимальная температура водородно-хлорного пламени 2200 °C.:
- Cl2 + H2 → 2HCl
- 5Cl2 + 2P → 2PCl5
- 2S + Cl2 → S2Cl2
С кислородом хлор образует оксиды в которых он проявляет степень окисления от +1 до +7: Cl2O, ClO2, Cl2O6, Cl2O7. Они имеют резкий запах, термически и фотохимически нестабильны, склонны к взрывному распаду.
При реакции с фтором, образуется не хлорид, а фторид:
- Cl2 + 3F2 (изб.) → 2ClF3
Другие свойства
Хлор вытесняет бром и иод из их соединений с водородом и металлами:
- Cl2 + 2HBr → Br2 + 2HCl
- Cl2 + 2NaI → I2 + 2NaCl
При реакции с монооксидом углерода образуется фосген:
- Cl2 + CO → COCl2
При растворении в воде или щелочах, хлор дисмутирует, образуя хлорноватистую (а при нагревании хлорную) и соляную кислоты, либо их соли:
- Cl2 + H2O → HCl + HClO
- 3Cl2 + 6NaOH → 5NaCl + NaClO3 + 3H2O
Хлорированием сухой гидроокиси кальция получают хлорную известь:
- Cl2 + Ca(OH)2 → CaCl(OCl) + H2O
Действие хлора на аммиак можно получить трёххлористый азот:
- 4NH3 + 3Cl2 → NCl3 + 3NH4Cl
Окислительные свойства хлора
Хлор очень сильный окислитель.
- Cl2 + H2S → 2HCl + S
Реакции с органическими веществами
- CH3-CH3 + Cl2 → C2H6-xClx + HCl
Присоединяется к ненасыщенным соединениям по кратным связям:
- CH2=CH2 + Cl2 → Cl-CH2-CH2-Cl
Ароматические соединения замещают атом выдорода на хлор в присутствии катализаторов (например, AlCl3 или FeCl3):
- C6H6 + Cl2 → C6H5Cl + HCl
Способы получения
Промышленные методы
Первоначально промышленный способ получения хлора основывался на методе Шееле, то есть реакции пиролюзита с соляной кислотой:
- MnO2 + 4HCl → MnCl2 + Cl2↑ + 2H2O
В 1867 году Диконом был разработан метод получения хлора каталитическим окислением хлороводорода кислородом воздуха. Процесс Дикона в настоящее время используется при рекуперации хлора из хлороводорода, являющегося побочным продуктом при промышленном хлорировании органических соединений.
- 4HCl + O2 → 2H2O + 2Cl2
Сегодня хлор в промышленных масштабах получают вместе с гидроксидом натрия и водородом путём электролиза раствора поваренной соли:
Так как параллельно электролизу хлорида натрия проходит процесс электролиз воды, то суммарное уравнение можно выразить следующим образом:
- 1,80 NaCl + 0,50 H2O → 1,00 Cl2↑ + 1,10 NaOH + 0,03 H2↑
Применяется три варианта электрохимического метода получения хлора. Два из них электролиз с твердым катодом: диафрагменный и мембранный методы, третий — электролиз с жидким ртутным катодом (ртутный метод производства). В ряду электрохимических методов производства самым легким и удобным способом является электролиз с ртутным катодом, но этот метод наносит значительный вред окружающей среде в результате испарения и утечек металлической ртути.
Диафрагменный метод с твердым катодом
Полость электролизера разделена пористой асбестовой перегородкой — диафрагмой — на катодное и анодное пространство, где соответственно размещены катод и анод электролизёра. Поэтому такой электролизёр часто называют диафрагменным, а метод получения — диафрагменным электролизом. В анодное пространство диафрагменного электролизера непрерывно поступает поток насыщенного анолита (раствора NaCl). В результате электрохимического процесса на аноде за счет разложения галита выделяется хлор, а на катоде за счет разложения воды — водород. При этом прикатодная зона обогащается гидроксидом натрия.
- Подробнее смотри анимированный процесс тут
Мембранный метод с твердым катодом
Мембранный метод по сути, аналогичен диафрагменному, но анодное и катодное пространства разделены катионообменной полимерной мембраной. Мембранный метод производства эффективнее, чем диафрагменный, но сложнее в применении.
Ртутный метод с жидким катодом
Процесс проводят в электролитической ванне, которая состоит из электролизера, разлагателя и ртутного насоса, объединенных между собой коммуникациями. В электролитической ванне под действием ртутного насоса циркулирует ртуть, проходя через электролизёр и разлагатель. Катодом электролизера служит поток ртути. Аноды — графитовые или малоизнашивающиеся. Вместе с ртутью через электролизер непрерывно течет поток анолита — раствора хлорида натрия. В результате электрохимического разложения хлорида на аноде образуются молекулы хлора, а накатоде выделившийся натрий растворяется в ртути образуя амальгаму.
- Подробнее смотри анимированный процесс тут
Лабораторные методы
В лабораториях для получения хлора обычно используют процессы, основанные на окислении хлороводорода сильными окислителями (например, оксидом марганца (IV), перманганатом калия, дихроматом калия):
- 2KMnO4 + 16HCl → 2KCl + 2MnCl2 + 5Cl2↑ +8H2O
- K2Cr2O7 + 14HCl → 3Cl2 + 2KCl + 2CrCl3 + 7H2O
Хранение хлора
Производимый хлор хранится в специальных «танках», или закачивается в стальные баллоны высокого давления. Баллоны с жидким хлором под давлением имеют специальную окраску — болотный цвет. Следует отметить что при длительной эксплуатации баллонов с хлором, в них накапливается чрезвычайно взрывчатый треххлористый азот, и поэтому время от времени баллоны с хлором должны проходить плановую промывку и очистку от хлорида азота.
Стандарты качества хлора
Согласно ГОСТ 6718-93 «Хлор жидкий. Технические условия» производятся следующие сорта хлора
Наименование показателя ГОСТ 6718-93 Высший сорт Первый сорт Объемная доля хлора, не менее, % 99,8 99,6 Массовая доля воды, не более, % 0,01 0,04 Массовая доля треххлористого азота, не более, % 0,002 0,004 Массовая доля нелетучего остатка, не более, % 0,015 0,10 Применение
Хлор применяют во многих отраслях промышленности, науки и бытовых нужд:
- В производстве поливинилхлорида, пластикатов, синтетического каучука, из которых изготавливают: изоляцию для проводов, оконный профиль, упаковочные материалы, одежду и обувь, линолеум и грампластинки, лаки, аппаратуру и пенопласты, игрушки, детали приборов, строительные материалы. Поливинилхлорид производят полимеризацией винилхлорида, который сегодня чаще всего получают из этилена сбалансированным по хлору методом через промежуточный 1,2-дихлорэтан.
- Отбеливающие свойства хлора известны с давних времен, хотя не сам хлор «отбеливает», а атомарный кислород, который образуется при распаде хлорноватистой кислоты: Cl2 + H2O → HCl + HClO → 2HCl + O•. Этот способ отбеливания тканей, бумаги, картона используется уже несколько веков.
- Производство хлорорганических инсектицидов — веществ, убивающих вредных для посевов насекомых, но безопасные для растений. На получение средств защиты растений расходуется значительная часть производимого хлора. Один из самых важных инсектицидов — гексахлорциклогексан (часто называемый гексахлораном). Это вещество впервые синтезировано ещё в 1825 г. Фарадеем, но практическое применение нашло только через 100 с лишним лет — в 30-х годах нашего столетия.
- Использовался как оружие массового поражения и в производстве других отравляющих веществ массового поражения: иприт, фосген.
- Для обеззараживания воды — « хлорирования». Наиболее распространённый способ обеззараживания питьевой воды; основан на способности свободного хлора и его соединений угнетать ферментные системы микроорганизмов катализирующие окислительно-восстановительные процессы. Для обеззараживания питьевой воды применяют: хлор, двуокись хлора, хлорамин и хлорную известь. СанПиН 2.1.4.1074-01 [1] устанавливает следующие пределы (коридор)допустимого содержания свободного остаточного хлора в питьевой воде централизованного водоснабжения 0.3 — 0.5 мг/л. Ряд ученых и даже политиков в России критикуют саму концепцию хлорирования водопроводной воды, но альтернативы дезинфицирующему последействию соединений хлора предложить не могут. Материалы, из которых изготовлены водопроводные трубы, по разному взаимодействуют с хлорированной водопроводной водой. Свободный хлор в водопроводной воде существенно сокращает срок службы трубопроводов на основе полиолефинов: полиэтиленовых труб различного вида, в том числе сшитого полиэтилена, большие извесного как ПЕКС (PEX, PE-X). В США для контроля допуска трубопроводов из полимерных материалов к использованию в водопроводах с хлорированной водой вынуждены были принять 3 стандарта: ASTM F2023 [2] применительно к трубам из сшитого полиэтилена (PEX) и горячей хлорированной воде, ASTM F2263 [3] применительно к полиэтиленовым трубам всем и хлорированной воде и ASTM F2330 [4] применительно к многослойным (металлополимерным) трубам и горячей хлорированной воде. Положительную реакцию в части долговечности при взаимодействии с хлорированной водой демонстрируют медные трубы.
- В пищевой промышленности зарегистрирован в качестве пищевой добавки E925.
- В химическом производстве соляной кислоты, хлорной извести, бертолетовой соли, хлоридов металлов, ядов, лекарств, удобрений.
- В металлургии для производства чистых металлов: титана, олова, тантала, ниобия.
- Как индикатор солнечных нейтрино в хлор-аргонных детекторах.
Биологическая роль
Хлор относится к важнейшим биогенным элементам и входит в состав всех живых организмов.
У животных и человека, ионы хлора участвуют в поддержании осмотического равновесия, хлорид-ион имеет оптимальный радиус для проникновения через мембрану клеток. Именно этим объясняется его совместное участие с ионами натрия и калия в создании постоянного осмотического давления и регуляции водно-солевого обмена. Под воздействием ГАМК (нейромедиатор) ионы хлора оказывают тормозящий эффект на нейроны путем снижения потенциала действия. В желудке, ионы хлора создают благоприятную среду для действия протеолитических ферментов желудочного сока. Хлорные каналы представлены во многих типах клеток, митохондриальных мембранах и скелетных мышцах. Эти каналы выполняют важные функции в регуляции объема жидкости, трансэпителиальном транспорте ионов и стабилизации мембранных потенциалов, участвуют в поддержании рН клеток. Хлор накапливается в висцеральной ткани, коже и скелетных мышцах. Всасывается хлор, в основном, в толстом кишечнике. Всасывание и экскреция хлора тесно связаны с ионами натрия и бикарбонатами, в меньшей степени с минералокортикоидами и активностью Na+/K+ — АТФ-азы. В клетках аккумулируется 10-15 % всего хлора, из этого количества от 1/3 до 1/2 — в эритроцитах. Около 85 % хлора находятся во внеклеточном пространстве. Хлор выводится из организма в основном с мочой (90-95 %), калом (4-8 %) и через кожу (до 2 %). Экскреция хлора связана с ионами натрия и калия, и реципрокно с HCO3- (кислотно-щелочной баланс).
Человек потребляет 5-10 г NaCl в сутки. Минимальная потребность человека в хлоре составляет около 800 мг в сутки. Младенец получает необходимое количество хлора через молоко матери, в котором содержится 11 ммоль/л хлора. NaCl необходим для выработки в желудке соляной кислоты, которая способствует пищеварению и уничтожению болезнетворных бактерий. В настоящее время участие хлора в возникновении отдельных заболеваний у человека изучено недостаточно хорошо, главным образом из-за малого количества исследований. Достаточно сказать, что не разработаны даже рекомендации по норме суточного потребления хлора. Мышечная ткань человека содержит 0,20-0,52 % хлора, костная — 0,09 %; в крови — 2,89 г/л. В организме среднего человека (масса тела 70 кг) 95 г хлора. Ежедневно с пищей человек получает 3-6 г хлора, что с избытком покрывает потребность в этом элементе.
Ионы хлора жизненно необходимы растениям. Хлор участвует в энергетическом обмене у растений, активируя окислительное фосфорилирование. Он необходим для образования кислорода в процессе фотосинтеза изолированными хлоропластами, стимулирует вспомогательные процессы фотосинтеза, прежде всего те из них, которые связаны с аккумулированием энергии. Хлор положительно влияет на поглощение корнями кислорода, соединений калия, кальция, магния. Чрезмерная концентрация ионов хлора в растениях может иметь и отрицательную сторону, например, снижать содержание хлорофилла, уменьшать активность фотосинтеза, задерживать рост и развитие растений.
Но существуют растения, которые в процессе эволюции либо приспособились к засолению почв, либо в борьбе за пространство заняли пустующие солончаки на которых нет конкуренции. Растения произрастающие на засоленных почвах называются — галофиты, они накапливают хлориды в течении вегетационного сезона, а потом избавляются от излишков посредством листопада или выделяют хлориды на поверхность листьев и веток и получают двойную выгоду притеняя поверхнисти от солнечного света. В России галофиты произрастают на соляных куполах, выходах соляных отложений и засоленных понижениях вокруг соляных озер Баскунчак, Эльтон.
Среди микроорганизмов, так же известны галофилы — галобактерии — которые обитают в сильносоленых водах или почвах.
Особенности работы и меры предосторожности
Хлор — токсичный удушливый газ, при попадании в лёгкие вызывает ожог лёгочной ткани, удушье. Раздражающее действие на дыхательные пути оказывает при концентрации в воздухе около 0,006 мг/л. Хлор был одним из первых химических отравляющих веществ, использованных Германией в Первую мировую войну. При работе с хлором следует пользоваться защитной спецодеждой, противогазом, перчатками. На короткое время защитить органы дыхания от попадания в них хлора можно тряпичной повязкой, смоченной раствором сульфита натрия Na2SO3 или тиосульфата натрия Na2S2O3.
ПДК хлора в атмосферном воздухе следующие: среднесуточная — 0,03 мг/м³; максимально разовая — 0,03 мг/м³; в рабочих помещениях промышленного предприятия — 1 мг/м³.
Литература
- Основы общей химии, т. 3, Б. В. Некрасов. — М.: Химия, 1970;
- Якименко Л. М., Производство хлора, каустической соды и неорганических хлорпродуктов, М., 1974;
- Постановление Госгортехнадзора России от 05.06.2003 N 48, Об утверждении Правил безопасности при производстве, хранении, транспортировании и применении хлора ПБ от 05.06.2003 N 09-594-03;
- Федеральный закон от 21.07.1997 N 116-ФЗО промышленной безопасности опасных производственных объектов (с изменениями на 18 декабря 2006 года);
- Постановление Госгортехнадзора России от 18.10.2002 N 61-А, Об утверждении Общих правил промышленной безопасности для организаций, осуществляющих деятельность в области промышленной безопасности опасных производственных объектов, ПБ от 18.10.2002 N 03-517-02;
- Приказ Минздрава РФ от 28 марта 2003 г. N 126 «Об утверждении Перечня вредных производственных факторов, при воздействии которых в профилактических целях рекомендуется употребление молока или других равноценных пищевых продуктов»;
- Приказ МПР РФ от 2 декабря 2002 г. N 786 «Об утверждении федерального классификационного каталога отходов» (с изм. и доп. от 30 июля 2003 г.);
- Постановление Госкомтруда СССР от 25.10.1974 N 298/П-22 «Об утверждении списка производств, цехов, профессий и должностей с вредными условиями труда, работа в которых дает право на дополнительный отпуск и сокращенный рабочий день» (с изменениями на 29 мая 1991 года);
- Постановление Минтруда России от 22.07.1999 N 26 «Об утверждении типовых отраслевых норм бесплатной выдачи специальной одежды, специальной обуви и других средств индивидуальной защиты работникам химических производств»;
- Постановление Главного государственного санитарного врача РФ от 30.05.2003 N 116 О введении в действие ГН 2.1.6.1339-03 «Ориентировочные безопасные уровни воздействия (ОБУВ) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест».(с изменениями на 3 ноября 2005 года);
- ГОСТ 6718-93 Хлор жидкий. Технические условия.
Смотри также
- Производство хлора в России
- Хлорид золота
- Хлорная вода
- Хлорная известь
- Хлорид первого основания Рейзе
- Хлорид второго основания Рейзе
[−] Соединения хлора[+] Гипохлориты[+] Перхлораты[+] Хлорангидриды[+] Хлораты[+] Хлориды[+] Хлорорганические соединенияСсылки
- ↑ Данные о изотопах хлора
- ↑ Описание свойств хлора на сайте ChemPortal.ru
- ↑ Свойства хлора
- ↑ Насыщенный раствор хлора в воде называют «хлорной водой»
Внешние ссылки
- Хлор на Webelements
- Хлор в Популярной библиотеке химических элементов
- Euro Chlor
- Первая германская газобаллонная атака на западноевропейском театре мировой войны у г. Ипра 22 апреля 1915 г. отрывок из книги Де-Лазари А. Н. Химическое оружие на фронтах Мировой войны 1914—1918 гг. Краткий исторический очерк.
Wikimedia Foundation. 2010.